毕业论文（设计）基于pro e的搜救机器人模型建立与运动仿真

诚信声明本人郑重声明：本论文及其研究工作是本人在指导教师的指导下独立完成的，在完成论文时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。本人签名：年月日毕业设计任务书设计题目：基于PRO/E的搜救机器人模型建立与运动仿真系部：机械工程系专业：机械设计制造及其自动化学号：112021210学生：指导教师〔含职称〕：〔讲师〕1．课题意义及目标学生应通过本次毕业设计，综合运用所学过的根底理论知识，完成搜救机器人的移动结构设计、越障能力分析、内部主要零件设计、建立虚拟运动模型等内容，做到能熟练运用所学知识，为以后实践工作打下根底。2．主要任务1〕通过查阅有关资料，了解搜救机器人主要功能和技术参数；2〕搜救机器人的移动机构设计及性能分析；3〕搜救机器人越障能力分析；4〕利用PRO/E完成模型建立和运动仿真，完成设计任务书的撰写。3．主要参考资料[1]段星光，黄强，李京涛.具有越障功能的小型地面移动机器人[D].机械设计，2006.[2]濮良贵，纪名刚.机械设计〔第八版〕[M].北京：高等教育出版社，2005.[2]潘玉霞.地面移动机器人的建模[D].南京理工大学硕士学位论文，2007.[4]汪明德，祝嘉光.坦克行驶原理[M].北京：国防工业出版社，1983.4．进度安排设计各阶段名称起止日期1查阅文献，了解研究目的意义，完成开题报告2毕业设计开题，移动机构设计及分析3越障能力分析及毕业设计中期准备4模型建立分析及设计说明书撰写5设计辩论审核人：年月基于PRO/E的搜救机器人模型建立与运动仿真摘要：自然灾害发生后，幸存人员面临着极其危险的状况，需要尽快的转移和救助；而搜救工作异常困难和危险，往往会造成搜救人员的伤亡。研究可以自主进行搜救任务的多功能机器人具有极其重要的意义。本设计的目的是设计一个结构新颖、具有一定自主行动能力和越障能力的履带式移动搜救机器人。本设计的搜救机器人移动方式是履带式驱动结构。该方案采用模块化设计，便于拆装维修，可以主动控制两侧辅助臂的转动来改变机器人形态，以适应不同的搜救环境，完成越障动作。本设计中机器人主要设计了以下几个系统机构：移动机构、控制系统、多功能感知系统和定位导航系统，并进行了移动机构的动力学计算和越障能力分析，最后通过PRO/E进行了模型建立和运动仿真，确保了移动机构的可行性。关键词：履带机器人，履带移动机构，多功能机器人。SearchandrescuerobotbasedonPRO/EmodelestablishmentandmovementsimulationAbstract:When

natural

disasters

occur,

the

survivors

are

in

critical

condition

and

need

to

transfer

and

rescue

as

soon

as

possible.

However,

the

difficulty

and

danger

of

search

and

rescue

work,

often

causing

casualties

of

search

and

rescue

personnel.Therefore,

it

is

significant

to

reaserch

the

multi

robot

that

can

independently

complete

the

search

and

rescue

missions.The

purpose

of

this

study

is

to

design

a

sescue

robot

with

novel

structure,autonomous

action

ability

and

climbing

ability.

Its

mobile

mode

is

crawler

driving

structure.The

scheme

adopts

the

modular

design,

in

order

to

easy

disassembly

and

maintenance.By

controlling

the

rotation

of

the

auxiliary

arms

on

the

two

sides

to

change

in

Robot

form,

we

can

adapt

the

robot

to

different

search

and

rescue

environment,

to

complete

the

obstacle

motion.Thedesignoftherobotmechanismmainlyincludesthefollowingsystems:mobilemechanism,controlsystem,multi-functionalperceptionsystemandnavigationandpositioningsystem.And

it

passed

the

mobile

mechanism

of

dynamics

calculation

and

the

analysis

of

obstacle

ability.

At

last,

the

model

is

built

and

motion

simulation

is

carried

out

by

PRO/E,

to

ensure

the

feasibility

of

mobile

agencies.Keywords:Crawlerrobot,trackedmobilemechanism,multi-functionalrobot.

目录1绪论 51.1引言 51.2课题研究的背景 51.2.1背景 51.2.2意义 51.3搜救机器人的研究现状 21.3.1国外研究现状 21.3.2国内研究现状 42搜救机器人的本体结构分析 52.1机器人的机械设计概述 52.2搜救机器人运动机构设计 62.2.1机构设计的依据 72.2.2运动机构组成 82.2.3主要机构的工作原理 102.2.4运动方式设计 102.2.5越障能力分析 122.3搜救机器人驱动装置设计 152.3.1机器人在平直路面行驶 162.3.2机器人爬坡过程 162.3.3机器人的多姿态越阶 172.4移动机构设计 192.4.1典型移动机构分析 192.4.2轮、履、腿式移动机构性能比拟 212.4.3本研究的的机器人移动机构 212.5履带局部设计 222.5.1履带的选择 222.5.2功率的计算 232.5.3型号确定 232.6履带主从动轮设计 24 履带轮主要尺寸计算 242.6.2履带轮齿形和齿面宽度的选择 252.7履带翼板局部设计 262.7.1履带翼板的作用 27 履带翼板设计 272.8机器人控制系统 282.9搜救机器人制造材料的选择 292.10搜救机器人感知系统 292.11机器人定位导航系统 302.12本章小结 303基于PRO/E的模型建立和运动仿真 323.1软件介绍 323.2模型建立 323.3运动仿真 354结论 36参考文献 38致谢 391绪论1.1引言自然灾害〔如地震、洪水、火灾等〕发生后，我们需要尽快的在废墟中找到幸亏者，并及时给与医疗救助。但由于灾难环境复杂，并随时会发生二次灾害，对救援人员和幸存人员的生命造成伤害，极大的影响了救援进展。而且，灾后形成许多狭小空间，救援人员很难进入现场进行救援工作。搜救机器人的开展很好的解决了这一难题，由于机器人体积较小，运动灵活，可以到达灾区任何复杂地形进行搜救工作。同时，搜救机器人搭载的多感知系统，可以第一时间对灾区环境进行侦查，为搜救方案的制定提供可靠的环境参数信息。近年来，各国科研机构都对搜救机器人开展了大量科研工作，并取得了一定的成果，已有局部机器人投入到了实际的搜救行动中。本文是在调查了国内外关于搜救机器人的研究成果根底上，提出的一种改良型的设计。1.2课题研究的背景1.2.1背景随着人类科学技术的开展，人类开始试图利用机器来代替人力完成某些工作，进而开始了对机器人的研究。在如今的21世纪，机器人的研究得到了长足开展，机器人被应用到生产生活中的方方面面。而随着全球环境的变化和人类活动的影响，生活中发生灾难的几率越来越大。灾难过后，现场搜救与救援是我们的首要目标，然而灾难现场复杂危险的环境为搜救工作的快速开展制造了困难。因此，无人造作搜救机器人便应运而生。目前，国外已经研究出了多种搜救机器人并投入到了实际的搜救行动中，我国对搜救机器人的研究起步较晚，虽然有了一些可观的研究成果，但是真正应用到实际中的比拟少。1.2.2意义搜救机器人的研究与开发，为搜救行动的开展提供了更多元化的方式，在提高搜救效率的同时，极大地保证了搜救人员的生命平安。同时，本课题的研究，指出了微小型搜救机器人的研究方向和开展趋势，为后期的拓展研究提供了根底。1.3搜救机器人的研究现状1.3.1国外研究现状自20世纪60年代开始，国外就对小型履带式机器人开始了研究，经过这么多年的技术研究和开发，取得了丰硕成果。尤其是自“9·11〞事件以来，美国、日本等国家大力研究用于火灾、地震等灾后搜救机器人，应用于灾后的搜救工作。根据搜救机器人的运动方式不同，可以分为以下几种搜救机器人：⑴履带式移动搜救机器人履带式机器人主要用于军事侦查和撤除爆炸物，目前已经有多种该类型的机器人在实际战场上得到应用。图1.1给出了几种目前世界上典型的几种履带式移动机器人，他们都是为了军事需求研发的，虽然已经得到了实际战场的测试，但是由于体积普遍较大，并不适用于在灾后狭小的坍塌空间进行搜救工作。(a)Foster-Miller公司(b)Inuktun公司的

(c)SPAWAR的urbot机器人

的SOLEM机器人Minitrac机器人

图1.1典型的履带式移动机器人⑵可变式搜救机器人为了能在狭小的坍塌空间进行搜救工作，就要求搜救机器人具有尽可能小的体积，但是体积过小会影响机器人的载重能力和搜救视野，为了解决这一问题，许多机器人公司研制出了可变式多态搜救机器人。这类机器人可以根据实际需要变换多种形态，不仅运动灵活多变，也提高了机器人的感知平台，有效地增大了搜救视野。如图1.2、图1.3是两种比拟成熟的可变式搜救机器人。

(a)正常状态

(b)直立状态图1.2美国iRobot公司的Packbot机器人(a)平躺状态

(b)半直立状态

(c)直立状态图1.3加拿大Inuktun公司研制的MicroVGTV机器人⑵可变式搜救机器人虽然可变式搜救机器人可以根据实际工作环境自由变换形态以完成工作，但是由于其驱动方式的限制，它的体积不可能做的足够小。为了能到更狭小的坍塌空间进行搜救工作，许多公司根据生态学原理研发了多种仿生机器人。这类机器人体积更小，运动更灵活。如图1.4是几种仿生机器人。(a)CMU基于移动平台的(b)日本大阪大学的(c)加州大学伯里克分校蛇形机器人蛇形机器人的苍蝇机器人图1.4仿生机器人1.3.2国内研究现状我国微小型搜救机器人的研究比拟晚，是从20世纪80年代末才开始研究微小型搜救机器人的。经过我国科学院30多年的研究开发，目前已经开发出多种微小型机器人，并且已经投入实用，主要用于军事方面。如图1.5是中国科学院沈阳研究所研制的机器人“灵犀－B〞型排爆机器人，该机器人已正式进入服役期。该机器人采用腿、轮、履带复合移动方式，可实现越障、爬台阶等全方位行走。可以完成侦查、撤除炸弹，并可以安装连发散弹枪和催泪弹等武器。图1.5“灵犀-B〞型机器人图1.6龙卫士反恐机器人图1.6所示是我国第一台反恐机器人“龙卫士反恐机器人〞，由上海广茂达公司研制。该机器人可以在草地、雪地、沙地等多种地形运行，适应全地形、全天候、操作方便，综合水平接近国际水平。2搜救机器人的本体结构分析2.1机器人的机械设计概述机器人的机械设计涉及机械学、力学、自动化学及材料学等多种学科，它在结构上要求尽可能的简单、灵活、方式多变，同时又要求本体体积小、动力强劲。而且，本课题研究的搜救机器人，为满足后期的实用性，在满足机器人的技术指标的同时，还要考虑用材合理、造价低、制造维修方便、以及可靠性等多方面因素。所以，在机械设计方面，从以下四方面考虑：⑴了解机器人的应用环境及设计要求首先了解机器人的应用环境及要实现什么样的功能，然后通过分析工作环境，确定机器人的运动方式、工艺过程及有关参数。⑵明确机器人的性能指标及技术参数通过查阅相关资料，了解目前国内外市场上同类机器人的设计水平，结合现有的科技能力，明确搜救机器人应具有的具体功能、设计参数和性能指标，为之后的设计确立目标及中心。⑶方案比拟初步拟定几个设计方案，通过对其运动能力、制作工艺、实用价值的比照，选择出一个最正确方案。⑷建立设计流程图如图2.1所示，并依据流程图完成设计任务。开始开始设计目标根本运动方式机械结构设计使用Pro/e软件进行模型建立完成运动仿真满足要求其他系统结构设计完善设计内容结束YN图2.1设计流程图2.2搜救机器人运动机构设计2.2.1机构设计的依据本机器人主要用于灾后的搜救工作，由其工作环境可以归纳其运动机构主要要求有：⑴动力强劲，有一定的载重能力。⑵运动方式灵活多变，可实现根本的前进、后退、转弯等运动形式，并具有一定的越障能力。⑶车体重心要低，保障其在越障行驶时的稳定性。综上所述，确定其具体的性能指标如表2.1所示：表2.1性能参数⑴搜救环境复杂多变，为了保证机器人的运动及越障能力，选择履带式移动方式。⑵为了进一步提高机器人越障能力及实现机器人多功能性，将履带式机器人和摆臂式机器人结合，为其加装两个辅助臂，辅助臂旋转角度为0～360°。⑶考虑到电机及各种感知系统的安装和移动的稳定性等因素，初步确定机器人外形尺寸为1205mm*624mm*380mm。⑷在机身上选装摄像头及各种感知元件，以实现机器人的多功能性。⑸由于搜救环境复杂性高，考虑用履带包裹整个机体，这样不管在什么地形，都有履带接触地面以提供动力，极大地减少了机器人打滑及翻车风险。2.2.2运动机构组成根据以上技术指标，完成了搜救机器人本体的机械设计。本文履带机器人移动系统采用的是履腿式复合结构，总体设计方案如图2.2所示。机器人的车体履带作为移动机构为机器人移动提供动力，前臂和后臂作为辅助臂辅助转向，使机器人运动灵活多变。机器人前臂和后臂各有一个伺服电机驱动，通过控制系统协调配合，实现前臂和后臂的灵活转动，在机器人爬坡和越障时发挥更大作用。机器人前臂和后臂协调作用，稳定性将更好。机器人车体左右两边的履带各有一个永磁式直流电机驱动，由控制系统控制完成协调配合，可以自由控制主动轴和从动轴的速度、力矩等，可以实现原地的360°转向，实现前进时机身的自由转向，并且可以随时调解爬坡时的力矩。在车体主履带前端是从动轴，与主动轴配合运动，以保证机器人的平稳性。后摆臂及履带2.齿轮3.永磁式直流电机4.减速器5.蓄电池6.微控制器及组件7.步进电机8.主履带9.前摆臂及履带图2.2履带式机器人结构组成机器人车体具体尺寸如图2.3：图2.3机器人车体结构尺寸2.2.3主要机构的工作原理转向机构是为了满足机器人在行进中时随时改变行驶方向的要求，本设计主要通过左右履带驱动电机的差速来实现。减速传动机构主要是为了实现调速、增扭等功能，靠行星轮减速器来实现。动力局部采用电机，通过齿轮副降速后带动低速轴的转动，低速轴通过导杆滑块机构和驱动机构连接，为机器人的运动提供动力。2.2.4运动方式设计〔1〕平面运动及转弯机器人的直线行走和转弯是其最根本的运动方式，这两种运动方式控制相对简单，主要通过调整车体两边履带的转动速度来实现。当车体两侧的履带在同向等速转动时，车体进行直线行走；当车体两侧履带在反向等速转动时，车体在原地360°回转；当车体两侧履带同向不同速转动时，车体进行转向运动，而且可以通过调整两侧履带的转速差来调整车体转向角度。如图2.4〔a〕、图2.4〔b〕是机器人辅助臂全部翻开着地运动，这种方式有效增大了机器人和地面的接触面积，加大机器人移动机构的长度，减少了机器人对地面的压强，进而可以使机器人适应泥泞、松软和凹凸不平等各种复杂地形环境；图2.4〔a〕图2.4〔b〕如图2.4〔c〕、图2.4〔d〕、图2.4〔e〕所示，当机器人采取这种运动形态时，可直接爬过一些小角度坡而辅助臂不必有其他动作，这样就可以减少驱动控制系统的复杂程度；图2.4〔c〕图2.4〔d〕图2.4〔e〕图2.4〔f〕这种运动方式，可以将辅助臂收起到机身上方，减少了机器人平面体积，使机器人可以在较小空间进行转向运动；图2.4〔f〕机器人爬坡时，姿态可以转变成图2.4〔g〕。当坡度较大时，那么图2.4〔h〕和图2.4〔i〕是较好的姿态，这两种方式可使机器人重心位于稳定状态，从而保证机器人顺利爬坡。图2.4〔g〕图2.4〔h〕图2.4〔i〕⑵自撑起及涉水机器人的各种感知元件和动力装置等都安装在车体中，当机器人做涉水动作时，容易使车体进水毁坏车体中的设备。本设计中，机器人的4个辅助臂可以通过控制系统自由转动，抬高箱体完成涉水动作。并且改变辅助臂转动的角度，机器人可以转变成多种形态，以适应多变的搜救环境。⑶越障机器人可以利用摆臂将车体抬高以完成越障动作。前摆臂作为前攻角，是机器人实现越障动作的重要机构。图示2.5〔a〕-〔h〕表示机器人在完成越障动作时的一般过程。整个过程中机身利用履带和地面接触时的抓爬力攀爬，当机身接触到障碍物时，后摆臂向下摆动抬高车体，当车体抬高到最高位置〔后摆臂和地面垂直时〕停止摆动。主履带继续前进，当车体到达障碍物上时，前摆臂向下摆动抬高车体，机器人继续前进。当车体重心越过障碍物后，前摆臂向前摆动逐渐和地面贴合，同时后摆臂收起和主履带形成一个后攻角，使机器人较平缓的落地。在整个过程中，履带始终向前爬行。图2.5救灾机器人越障过程2.2.5越障能力分析⑴跨越台阶在机器人越障的过程中，摆臂的长度和机器人的重心位置会影响机器人的最大越障高度。如图2-2-5所示是机器人重心处于临界状态，即重心位于台阶的支撑点位置。只有重心越过台阶，机器人才能完成越障动作。由图2.6可以计算得出机器人的最大越障高度图2.6上台阶临界状态示意图由图2.6所示几何关系可得：变换上式可得：利用上式求出，代入可算出机器人跨越障碍的高度。本设计中机器人加装了后摆臂，而且后摆臂可以自由转动，进而大幅的提高了机器人的越障能力。如图2.7所示，当后摆臂抬起后，机器人成直立状态，重心提高了H，所以机器人的最大跨越高度提高了H。所以本次设计履带设计中机器人跨越障碍的最大高度为图2.7上台阶临界状态示意图⑵跨越沟槽由于机器人的重心位于机身中，在计算机器人最大跨越沟槽距离的过程中，当机器人重心越过沟槽支撑点后，机器人完成跨越沟槽的动作。当沟槽小于前后履带轮中心距时，机器人主履带就可完成跨越。也可能由于重心未能过去，倾翻在沟槽内。当沟槽大于前后履带轮中心距时，机器人跨越动作可以看作是跨越台阶的动作。本设计中的搜救机器人加装有辅助臂，在辅助臂展开后，机身长度增加，跨越沟槽的能力也加强了。所以，在计算最大跨越沟槽长度时，机器人辅助臂应处于展开状态。根据机器人质心变化规律可得，机器人重心处在以r为半径的园内。跨越过程如图2.8所示：图2.8跨越沟槽示意图 机器人在平地图2.8〔a〕跨越沟槽的宽度：⑶斜坡运动分析机器人在斜坡上运动时的受力状态，如图2.9所示，机器人在匀速行驶或静止时，处于受力平衡状态，其驱动力为：图2.9机器人上坡受力示意图最大静摩擦力系数为，那么最大静摩擦力为：当时，机器人能平稳行驶。当时，机器人将沿斜面下滑。履带机器人对地面的最大静摩擦系数，那么机器人爬越的最大坡度为:爬坡时克服摩擦力所需的最大加速度为：由以上分析可得，机器人的爬坡能力主要由机器人履带和地面的最大动摩擦系数决定，并根据坡度大小和电机的动力参数，可以计算得出机器人爬坡过程中的最大运动速度和最大加速度的大小。由以上计算可得：机器人的垂直越障高度最大为600mm；最大爬坡角度为30°；最大跨跃沟槽宽度为400mm。2.3搜救机器人驱动装置设计履带机器人主要通过克服履带和地面的摩擦力向前运动，用和分别表示履带和地面的静摩擦因数和动摩擦因数，由动力学可知，在机器人起步瞬间受到的静摩擦力最大，运动开始后摩擦力减小。因此可通过值来计算机器人运动需要的极限动力，取=0.65。2.3.1机器人在平直路面行驶当机器人在平直路面行驶时，以最大速度匀速运动时为极限状态，此时：本设计机器人有两个输出轴，且每个输出轴都有一个电机单独控制，分析其中一个输出轴的运动受力，那么:图2.10平直路线分析又那么那么在机器人以最大速度匀速运动时，驱动电机通过传动装置后需要提供应输出轴的极限转速为2.3.2机器人爬坡过程取机器人在极限爬坡角度时的运动状态分析，假设此时机器人以的速度匀速爬坡，运动过程中履带轮不出现打滑现象，那么此时机器人受力分析如图：图2.1130°坡度分析又，那么所以机器人在极限爬坡角度时需要电机提供的极限转矩为2.3.3机器人的多姿态越阶分析机器人在越阶时的运动，此时电机只需要驱动主履带转动，而且机器人在越阶运动时速度较低，因此在越阶时机器人对电机的动力需求不是很大。综合以上分析，当机器人在平直路面运动时，要求电机可以输出较大的转速，而在爬坡运动时，需要电机提供较大的转矩。所以，要根据以上两种运动状态的最大转速和最大转矩来确定驱动电机的具体参数。机器人在爬坡运动时，,机器人在平直路面行驶时，，那么取P=80W作为机器人的最大输出功率。由以上计算可得，机器人电机的最大输出功率为80W,最大输出转矩为22.1N.M,转速为56.2r/min直流电机性能相当稳定，屡次制动、反转也可以正常使用，启动性能好，对电池性能要求不高。另外在使用过程中可携带或可移动的蓄电池，干电池作为供电电源，操作轻巧与方便。根据直流电机这些性能，为了让机器人在复杂环境更稳定的工作，为了让机器人更方便的携带电池，选择90ZY54型号的直流永磁电机。电动机性能如下表所示：表2.2直流电机数据因为那么因为,那么又那么选取2.4移动机构设计由机器人的电机提供的动力，通过传动机构传递到移动系统中。机器人的各种运动方式都是通过移动装置实现的。2.4.1典型移动机构分析机器人按移动方式分类主要有轮式移动、履带式移动、腿足式移动三种，另外还有步进移动式、蠕动式、混合移动式、蛇行移动式等。⑴轮式移动机构特点轮式移动机构是最早期机器人的运动方式，也是最普通简单的方式，轮式机器人移动机构主要具有节能、灵活、结构简单、速度快的特点，同时具有自重轻、不损坏路面、作业循环时间短和效率高等优势。而且控制系统编程简单，每个轮子可以单独控制运动。但是在应对复杂地形〔尤其是不平坦地形〕时，轮式机器人那么有明显的缺乏，其工作能力及完成任务的水平更多的是依赖环境本身状况，难以在复杂地形中快速准确的完成既定任务。轮式移动机构按轮的数量可分为2轮、3轮、4轮、6轮、8轮。该结构有一定的局限性，只有在相对平坦、外表较硬的路面上才能稳定工作，如遇到软性复杂地面容易打滑或者沉陷，但可根据具体工作环境采用一些预防措施来缓解该类情况的出现，如图2.12所示。图2.12轮式移动装置示意图⑵腿式移动机构特点腿式移动机构按腿的个数可分为2腿、4腿、6腿、8腿等形式。8腿移动机器人如图2.13所示，特点是稳定性好，越野能力强。腿式移动机构的优点有：①腿式机器人可以应付较大的沟槽，对地形的适应能力强；②腿式机器人的腿部可以设计多个自由度，运动更具有灵活性，还可以通过调节腿的长度来控制机器人重心位置，利用重心控制机器人的稳定性，不易侧翻；③腿式机器人的机身较高，离地间隙大，所以机器人可以平稳快速的运动而不用考虑运动时机身的平安性。但是腿式机器人也有其局限性和弊端，腿式移动机构缺点有：①每次运动都需要完成腿抬起、移动、放下的过程，所以腿式机器人的移动速度慢；②腿式机器人由于其运动方式的特性，不能负载太重，负载会严重影响运动机构性能；③腿式机器人为了满足其运动的灵活性，多数要求每个腿能单独控制，所以对控制系统要求较高；④该机构未进入实用化阶段。图2.13八腿机器人图2.14六履机器人⑶履带式移动机构特点履带式移动机构分为单履带式、多履带式(履带可车体左右布置或者车体前后布置)，履带式移动方式的优点有动力强劲、对复杂地形适用性强，缺点是结构复杂、机械效率低、自身重量大，而且在自身重量比拟大的情况下会对路面产生一定的破坏。如图2.14是六履带机器人，在其机身上可以加装辅助臂来辅助越障，加强履带式移动机构的灵活性。履带式移动机构和轮式移动机构相比主要有以下几个特点：①撑面积大、接地比压小、滚动阻尼小、通过性比拟好；②越野机动性能好，跨越沟槽等性能均优于轮式结构；③履带支撑面上有履齿增大摩擦力，有较强的牵引附着性能，爬坡性能优秀；④履带机构本身重量大、结构复杂，减震性差，对地面和自身伤害大；2.4.2轮、履、腿式移动机构性能比拟三种常见的移动系统性能比拟如表2.3所示：表2.3典型移动机构的性能比照表2.4.3本研究的的机器人移动机构本研究的的机器人移动机构采用履带式，电动机的动力通过传动系统传给履带，为机器人运动提供动力。如图2.15所示，后移动轮为主动轮，前移动轮为从动轮，二者通过移动履带来传递动力，实现同步运动。图2.15轮履复合式移动机构2.5履带局部设计2.5.1履带的选择为了满足设计的标准化，方便机器人故障以后维修，我们考虑使用梯形双面齿同步带作为机器人履带。由于履带和带轮靠齿间啮合连接，所以带和带轮之间没有相对滑动，可以保证传动比的准确性。因为梯形双面齿同步带传动可以保证准确的传动比，传动平稳，噪音小，传动比范围大，所以传递的功率从几瓦到百千瓦都可满足。而且传动效率高，结构紧凑，适宜于多轴传动，因此在恶劣环境下也可以正常运行。由以上分析可得，梯形双面齿同步带完全可以满足本设计的要求。根据梯形双面齿同步带和已经确定的机器人参数，可以计算出履带轮的相关数据：因为后传动轴为输出轴，其输出功率为(即〕；机器人的移动速度，根据公式，计算可得主动轮转速，预先设计主动轮直径=169mm，从动轮直径=169mm，由公式，可得=59.71r/min.。故可以计算得出设计的条件如下：传递功率主动轮转速r/min从动轮转速中心距2.5.2功率的计算式中K为载荷修正系数〔根据工作机类型和运行时间查表2.4可得〕表2.4修正载荷系数K2.5.3型号确定由设计功率=0.1377kw和=59.71r/min，本设计确定选择梯形BD型XH同步带，其具体参数如下表2.5：表2.5梯形齿标准同步带型号以及齿尺寸2.6履带主从动轮设计履带轮主要尺寸计算履带和带轮的啮合方式见图2.16所示，图中为同步带轮节圆上测得相邻两齿间的距离即节距。XH型节距=22.225mm，为同步带轮的节圆直径，主动轮节圆型号为24XH，=169.79mm，从动轮节圆型号为24XH，=169.79mm.为同步带轮实际外圆直径，主动轮=166.99mm，从动轮=166.99mm。图2.16同步带轮外径径节示意图同步带分为AS型，BS型，AF型，BF型，WS型，其中AF型和BF型为双边档边，由于本设计采用的是电动机、减速器动力总成放在翼板内，直接通过锥齿轮传递用后驱动轮轮轴。所以，主动轮选择两个单边单圈，从动轮选择一个无挡圈，选WS型同步带轮。主动轮24XH，齿数24，径节=169.79mm，外径=166.99mm主动轮初选两个双边挡圈的带轮，用于设计中将其组合。2.6.2履带轮齿形和齿面宽度的选择根据图2.17和表2.6可以查得XH型梯形双面齿同步带轮齿形尺寸如下：表2.6梯形双面齿同步轮齿形尺寸型号节距MXL2.0320.840.050.69200.350.130.508XL5.0801.320.051.65250.410.640.508L9.5253.050.102.67201.191.170.762H12.74.190.133.05201.601.61.372XH22.2257.900.157.14201.982.392.794XXH31.75012.170.1810.31203.963.183.048图2.17齿形尺寸节距=22.225mm，齿槽=mm，齿深=7.14mm，槽角=，倒角=，=，=3.048mm。前面已经确定选用无档边带轮且带轮宽度为76.2，查表2.7可得到梯形双面齿同步带轮齿面宽度=83.8。表2.7同步带轮齿面宽度尺寸参考表2.7履带翼板局部设计2.7.1履带翼板的作用履带翼板主要起支撑张紧作用，是传动装置和移动装置的根底局部，履带的从动轮、张紧轮和过度轮分别安装在翼板上。搜救机器人为了使运动灵活要求自身重量尽可能低，所以翼板的材料要满足高强度、低质量、易加工的要求。综合比拟后，选择硬铝合金作为翼板的制作材料。履带翼板设计翼板的主要尺寸见图2.18所示，履带主动轮，从动轮，张紧轮和调节轮在翼板上的位置见图2.18上部的一个圆孔和下部的两个圆孔所示，张紧轮翼板设计厚度为18mm。图2.18翼板主要尺寸2.8机器人控制系统前面我们对机器人本体进行了设计，机器人正常工作除了需要运动结构外还需要有合理的控制系统参与，控制系统就相当于机器人的“大脑〞。本设计的搜救机器人采用模块化控制系统设计，模块可以自由增加或者减少，从而自由改变机器人形态，适应各种不同的环境。同时便于控制系统的修复和替换，防止单个模块损坏影响机器人整体的运行。整个机器人的控制系统如图2.19所示，该系统的优势在于各控制系统可以自由加装和撤除，不会影响整个系统的运行。图2.19控制系统结构主控模块主要完成以下三个任务：⑴处理电机控制系统和各个传感器系统传回的信息，包括机器人所处环境的信息和机器人自身的位置和状态。⑵根据机器人所处环境信息和自身的状态，调整机器人自身的形态和行为，以及进行路径规划。⑶将机器人的状态和搜集到的信息通过无线模块反应给搜救控制站。电机控制系统中每个控制器单独控制一个电机，从而实现机器人的多形态自由转换。执行元件采用模块化设计，各模块结构一致，方便迅速更换。传感器控制系统主要由控制器8到12组成，用来控制各种传感器，并可以处理各控制器搜集到的数据信息。2.9搜救机器人制造材料的选择机器人的本体材料选择，应满足机器人的机械设计要求。同时，还要尽可能多的平衡机械性能、制造难度、制造本钱及高精度等各方面问题。随着材料科学的告诉开展，各种新材料的出现，为机器人的开展提供了广阔的空间。与普通机械设备不同，机器人的机械结构要求更高，工作环境更复杂，为材料的选择提出了更高要求。本文主要考虑了以下几方面的要求：⑴强度机器人不仅要应付灾后现场复杂的地形，还要求有一定的载重能力以搭载一些感应装置，所以要求机器人机身由其是辅助臂和链轮有足够的强度。因此，我们应选择高强度的材料。⑵重量机器人依靠电动机驱动，所以机器人的质量将直接影响电机和电池的选型。因此，我们应选择密度小的材料。⑶经济性材料的本钱将直接影响机器人本身的造价。如果材料本钱过高，那么意味着机器人无法量产，直接影响其实用性。由以上三点综合考虑后，本设计将采用铝合金作为机器人的主要制作材料。铝合金主要具有以下特点：铝密度小，可有效减轻设备质量；价格适中；强度足够大，且铝外表会氧化形成保护膜，耐腐蚀；在铝中参加硅、锰等元素制成的铝合金材料性能优越；易加工成型，减轻制作本钱；铝非磁性金属，具有抗磁干扰性。2.10搜救机器人感知系统感知是指机器人获取自身周边环境信息的一种方式，机器人通过感知系统获取信息并提供应中央控制系统，进而对当前环境采取相应的行为。这是机器人应对陌生环境的方式，整个处理过程中感知系统是第一个环节，也是最重要的一个环节。本设计的搜救机器人主要工作是深入搜救区域，为救援人员提供现场的综合环境情况，考虑搜救工作的可行性及成功率，以及为制定搜救方案提供可靠的环境参数信息。这需要机器人对环境中的温度、气体组成及其地形等情况进行探测。其次，机器人应能对幸存者进行搜索定位和根本的救助。最后，机器人应对自身情况有感知能力，包括机身的温度、电量以及机身定位。目前的小型机器人都采用多传感器系统，各种感知传感器的技术也比拟成熟。考虑到本设计中搜救机器人的功能要求，主要选择安装一下几种感知系统：利用温度传感器、有毒气体探测器、氧含量传感器等完成对搜救环境的探测；对于搜救地形的探测主要依靠视觉系统〔摄像头以及红外探测器〕与距离传感器〔激光探测仪〕完成；对幸存者的搜索有热成像仪和生命探测仪；机器人自身状态感知系统包括惯性系统、GPS定位系统等。2.11机器人定位导航系统机器人在运动时，由其是在未知的环境中运动时，要对路径有一定的计算规划能力。这需要了解周围复杂的环境场所，而且还要知道自身的位置和运动中的位置，即定位。导航就是依据某个或某些准那么，找到一条最优路径以完成任务。定位是机器人导航及运动规划的前提，依靠单一的感知系统无法完成。主要考虑安装两类定位传感器；一类是检测机器人自身状态的，如精密电位器、光纤陀螺仪、倾角传感器和里程计等；另一类是检测环境状况的，如：超声波传感器、视觉传感器、激光雷达等。今年来，随着智能算法的开展，在机器人导航中融入智能算法的技术即智能导航方法更多地应用到了智能机器人上。本设计考虑采用基于混合方法的机器人的导航，本导航具有性能稳定、规划速度快、精度高的特点。2.12本章小结本章主要对搜救机器人的具体结构和主要系统进行了设计，根本完成了机器人本体的设计。首先完成了机器人运动机构的设计和运动能力分析。其次，完成机器人驱动装置和制作材料的选型。最后，为机器人选装各种智能系统用以完成搜救行动。3基于PRO/E的模型建立和运动仿真3.1软件介绍Pro/ENGINEER是20世纪由美国参数科技公司〔PTC〕开发的，现已开展成为一个功能全面的三维产品开发软件，涉及到了二维草绘、绘图设计、零件设计、模具设计、图标设计和布局设计等。因为Pro/ENGINEER功能强大，在机械、航空、家电、汽车、工业设计和军工等行业得到广泛应用。3.2模型建立Pro/ENGINEER具有强大的建模功能，首先选择一个平面进行草绘，然后通过拉伸、旋转等工作就可以完成一个零件的实体模型。在装配模式下，可以将各个零件按要求进行连接，完成机构整体的建模工作。下面介绍本设计中翼板1的画法，其余零件的绘画过程与其类似。⑴点击〔新建〕按钮，出现“新建〞对话框。⑵在“类型〞选项组中选择“零件〞，在“子类型〞选项组中选择“实体〞，在“名称〞文本框中输入“yiban1〞，去除“使用缺省模板〞选项，开始零件设计。⑶在右侧工具箱中点击〔拉伸工具〕，系统出现“拉伸〞选项控制板。点击“放置〞按钮，翻开“放置〞面板。⑷在“放置〞面板中选择“定义〞按钮，弹出“草绘〞对话框。⑸选择TOP基准面为草绘平面，如图3.1所示，点击“草绘〞，进入草绘模式。图3.1草绘对话框⑹绘制如图3.2所示的图形，单击完成草绘。图3.2草绘图形⑺在拉伸操作控制板中输入拉伸深度为18，如图3.3所示。单击完成拉伸，绘制的实体模型如图3.4所示。图3.3输入拉伸深度图3.4实体模型⑻点击按钮，在“拉伸〞工具操作板中选择〔移除材料〕按钮。⑼点击“放置〞选项，然后点击“定义〞按钮，弹出“草绘〞对话框。⑽在“草绘〞对话框中单击“使用先前的〞选项，开始草绘。绘制如图3.5所示的图形，点击完成草绘。图3.5拉伸实例特征⑾在拉伸操作面板中输入拉伸深度为5，单击完成拉伸，绘制的模型如图3.6所示。图3.6拉伸模型⑿重复步骤8到11，完成翼板剩余设计。翼板1的完整模型如图3.7所示。图3.7翼板1实体模型3.3运动仿真在设计完成后，可以在Pro/ENGINEER软件中实现模型的运动仿真，在电脑上模拟设计机构的运动方式，可以有效的提高设计效率降低设计本钱。Pro/ENGINEER中主要依靠“机构〞模块来进行动态仿真，其中包括Mechanismdesign和Mechanismdynamics两个分析功能。本文主要利用Mechanismdesign功能对搜救